[論文レビュー] Beamforming on the MISO interference channel with multi-user decoding capability

Zuleita Ho, David Gesbert+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 2, 2011

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 15被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、多ユーザー干渉除去機能（IDC）を備えたMISO干渉チャネルにおける、新たなビームフォーミング戦略を提案する。この戦略では、送信機が干渉を意図的に増幅することで、受信機での復調を向上させることができる。本稿では、最適ビームフォーマーが常にランク1であることを証明し、最大比率伝送（MRT）の最適性条件を導出する。これにより、特定の状況では最大合計スループットを達成するシンプルなアルゴリズムが得られる。一方、他の状況では部分最適な性能を示す。

ABSTRACT

This paper considers the multiple-input-single-output interference channel (MISO-IC) with interference decoding capability (IDC), so that the interference signal can be decoded and subtracted from the received signal. On the MISO-IC with single user decoding, transmit beamforming vectors are classically designed to reach a compromise between mitigating the generated interference (zero forcing of the interference) or maximizing the energy at the desired user. The particularly intriguing problem arising in the multi-antenna IC with IDC is that transmitters may now have the incentive to amplify the interference generated at the non-intended receivers, in the hope that Rxs have a better chance of decoding the interference and removing it. This notion completely changes the previous paradigm of balancing between maximizing the desired energy and reducing the generated interference, thus opening up a new dimension for the beamforming design strategy. Our contributions proceed by proving that the optimal rank of the transmit precoders, optimal in the sense of Pareto optimality and therefore sum rate optimality, is rank one. Then, we investigate suitable transmit beamforming strategies for different decoding structures and characterize the Pareto boundary. As an application of this characterization, we obtain a candidate set of the maximum sum rate point} which at least contains the set of sum rate optimal beamforming vectors. We derive the Maximum-Ratio-Transmission (MRT) optimality conditions. Inspired by the MRT optimality conditions, we propose a simple algorithm that achieves maximum sum rate in certain scenarios and suboptimal, in other scenarios comparing to the maximum sum rate.

研究の動機と目的

• 干渉を復元・除去可能とするMISO干渉チャネルにおけるパラダイムシフトに取り組むこと。これは、干渉を単に緩和するのではなく、復元可能にするものである。
• 受信機が干渉を復元・差し引ける場合に、送信ビームフォーミングがどのように設計されるべきかを調査すること。これにより、従来の「目的信号の受信電力」と「干渉抑制」のトレードオフが変化する。
• 異なる復元構造のもとでの合計スループット領域のパレート境界を同定し、それを特徴づけること。
• パレート最適性および合計スループット最大化の下で、送信プレコーディングの最適ランクを同定すること。
• MRT最適性条件に基づく実用的なアルゴリズムを開発し、特定のチャネル条件において高い合計スループットを達成すること。

提案手法

• パレート最適性および合計スループット最大化の最適送信プレコーディングが、ユーザー数やアンテナ数に関係なく常にランク1であることを証明すること。
• 異なる干渉復元構造がビームフォーミング設計に与える影響を分析し、特に復元能力が送信インcentive（インcentive）をどのように変化させるかに焦点を当てる。
• 特定の状況で最大合計スループットを達成するためのMRT最適性条件を導出すること。
• MRT最適性条件を活用したシンプルなビームフォーミングアルゴリズムを提案し、チャネル状態に応じて最適または近似最適な合計スループットを達成すること。
• 干渉復元機能を有する状況下での、ユーザー間のレートトレードオフを分析することで、合計スループット領域のパレート境界を同定すること。
• 目的信号の利得と制御された干渉注入をバランスさせる戦略をモデル化するため、ランク1ビームフォーミングベクトルを用いること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 パレート最適性および合計スループット最大化の下で、多ユーザー干渉復元機能を有するMISO干渉チャネルにおける送信プレコーディングの最適ランクは何か？
• RQ2 受信機が干渉を復元・差し引ける能力を持つ場合、従来の干渉回避とは対照的に、ビームフォーミング設計の根本的なトレードオフはどのように変化するか？
• RQ3 MISO-ICにIDCが備わった状況で、最大比率伝送（MRT）が最大合計スループットを達成するためのチャネル条件は何か？
• RQ4 MRT最適性条件に基づくシンプルなビームフォーミングアルゴリズムは、さまざまな干渉状況において近似最適な合計スループット性能を達成できるか？
• RQ5 受信機に干渉復元機能が備わった場合、合計スループット領域におけるパレート境界の構造はどのようなものか？

主な発見

• パレート最適性および合計スループット最大化の最適送信プレコーディングは、常にランク1である。これは、ビームフォーミング設計を著しく簡素化する。
• 受信機が干渉を復元・差し引ける場合、送信機は干渉を意図的に増幅することで利益を得られる。これは、従来の干渉抑制を目的とするビームフォーミングのインセンティブを逆転させる。
• 最大比率伝送（MRT）条件は、特定のチャネル構成において最大合計スループットを達成するための必要十分条件である。
• MRT最適性条件に基づく提案アルゴリズムは、MRT条件を満たす状況では最大合計スループットを達成する。
• MRT条件を満たさない状況では、アルゴリズムは部分最適だが実用的な合計スループット性能を達成する。
• 異なる復元構造のもとで、合計スループット領域のパレート境界が完全に同定され、ユーザー間レートの最適トレードオフ設計が可能になった。